第五章 飞行操纵系统

飞行操纵系统飞行操纵系统概述定义：飞机飞行操纵系统是飞机上用来传递操纵指令，驱动舵面运动的所有部件和装置的总合，用于飞机飞行姿态、气动外形、乘坐品质的控制。操纵系统功用驾驶员通过操纵飞机的各舵面和调整片实现飞机绕纵轴、横轴和立轴旋转，以完成对飞机的飞行状态控制。飞行操纵系统分类根据操纵信号来源不同，操纵系统可分为：人工飞行操纵系统，其操纵信号由驾驶员发出。飞机的俯仰、滚转和偏航操纵系统；增升、增阻操纵系统；人工配平操纵系统等。自动飞行控制系统，其操纵信号由系统本身产生，对飞机实施自动和半自动控制，协助驾驶员工作或自动控制飞机对扰动的响应。自动驾驶仪；发动机油门自动控制结构振动模态抑制系统。副翼升降舵方向舵前缘襟翼缝翼后缘襟翼扰流板水平安定面起飞警告失速警告操纵系统主操纵系统辅助操纵系统警告系统第一节简单机械操纵系统（人力操纵）简单机械操纵系统是一种人力操纵系统，由于其构造简单，工作可靠，使用了30余年，才出现助力操纵系统。简单机械操纵系统现在仍广泛应用于低速飞机和一些小型运输机上。软式传动系统简单机械操纵系统（人力操纵）硬式传动系统简单机械操纵系统是一种人力操纵系统，由于其构造简单，工作可靠，使用了30余年，才出现助力操纵系统。简单机械操纵系统现在仍广泛应用于低速飞机和一些运输机上。对飞行操纵系统的要求一般要求：重量轻、制造简单、维护方便；具有足够的强度和刚度。特殊要求：保证驾驶员手、脚操纵动作与人类运动本能相一致；纵向或横向操纵时彼此互不干扰；脚操纵机构能够进行适当调节；有合适的杆力和杆位移；启动力应在合适的范围内；系统操纵延迟应小于人的反应时间(灵敏度高)；系统不应发生卡阻现象；应有极限偏转角度止动器；所有舵面能够用“锁”来固定。主操纵系统组成中央操纵机构—由驾驶员直接操纵的部分：手操纵机构：驾驶杆/驾驶盘控制副翼和升降舵的上下偏转脚操纵机构：脚蹬控制方向舵的左右偏转操纵系统的传动机构—将操纵信号传到舵面：软式传动机构—钢索、滑轮等；硬式传动机构—传动杆、摇臂等；混合式传动机构－硬式与软式结合。中央操纵机构—手操纵机构驾驶杆式手操纵机构推拉驾驶杆操纵升降舵；左右压杆操纵副翼！横纵向操纵的独立性驾驶杆要操纵升降舵和副翼，但两者不会互相干扰！独立性分析驾驶杆左右摆时，传动杆沿着以b-b线为中心轴，以c点为顶点的锥面运动；由于圆锥体的顶点c到底部周缘上任一点的距离相等，所以当驾驶杆左右摆动时，摇臂1不会绕其支点前后转动，因而升降舵不会偏转！中央操纵机构—手操纵机构驾驶盘式手操纵机构推拉驾驶盘操纵升降舵；左右转动驾驶盘可操纵副翼！独立性分析左右转动驾驶盘时，支柱不动，升降舵不会偏转；前推或后拉驾驶盘时，由于和横管平行的一段钢索与轴线a-a是重合的，钢索不会绷紧或放松，不会使副翼偏转。驾驶杆与驾驶盘的比较驾驶杆驾驶盘优点构造较简单通过增大驾驶盘的转角，可使操纵副翼省力！缺点不便于用增大驾驶杆倾斜角度的办法来减小操纵副翼时的杆力！构造较复杂应用小型飞机、低速飞机大中型飞机、高速飞机中央操纵机构—脚操纵机构平放式脚蹬脚蹬安装在由两根横杆和两根脚蹬杆组成的平行四边形机构上；平行四边形机构的作用：保证在操纵方向舵时，脚蹬只作平移而不转动，便于飞行员操纵。中央操纵机构—脚操纵机构立放式脚蹬蹬脚蹬时，通过传动杆和摇臂等构件的传动使方向舵偏转；由于传动杆和摇臂等的连接，左右脚蹬的动作是协调的！手操纵机构与脚操纵机构的匹配驾驶杆驾驶盘平放式脚蹬平放式脚蹬为了取得较大的操纵力臂，两脚蹬之间距离较大；与左右活动范围较大的驾驶杆配合使用！立放式脚蹬通过增长与脚蹬连接的摇臂来获得足够的操纵力臂的，两脚蹬之间距离较小；多与驾驶盘配合使用传动机构的构造优点缺点软式构造简单，易于制造；尺寸较小，易于布局；重量较轻;比较容易绕过机内设备！刚度较小，容易断丝；钢索受拉易产生弹性间隙操纵灵敏度差；钢索在滑轮处容易磨损！硬式刚度较大；铰接点用滚珠轴承减小摩擦力，并消除间隙；具有较佳的操纵灵敏度！构造复杂，重量加大；难于“绕”过机内设备；受压易与发动机发生共振混合兼有硬式和软式的优点和缺点！硬式传动机构主要构件一、传动杆硬式传动机构中的操纵力由传动杆传递，传动杆可承受拉力和压力。传动杆的刚度较大。一般由硬铝管制成，受力大的地方也可使用钢管。可调接头传动杆两端有接头，其一端的接头可以调整。调整接头端部有检查小孔，把传动杆调长时，接头螺杆的末端不应超过小孔的位置。接头装有滚珠轴承或旋转铰链、球形铰链。失效形式——失稳！常见故障——传动杆裂纹、轴承卡阻。二、摇臂摇臂通常由硬铝材料制成，在连接处装有轴承；摇臂按臂数可分为单摇臂、双摇臂和复摇臂三类。摇臂的作用支持传动杆；改变传动力的大小；改变位移；改变传动速度；改变传动方向；实现差动操纵传动方向的改变差动操纵所谓差动，就是当驾驶杆前后（或左右）偏转的同一角度时，升降舵（或副翼）上下（或左右）偏转的角度不同。差动机构的作用是消除有害偏航。实现差动操纵最简单的机构是差动摇臂（双摇臂），摇臂的输入端或输出端的连接至少有一端不是90度。三、导向滑轮导向滑轮由三个或四个小滑轮及其支架组成；功用：支持传动杆，提高传动杆的受压时的杆轴临界应力；增大传动杆的固有频率，防止传动杆受压时发生共振。软式传动机构主要构件一、钢索钢索由钢丝编成，只承受拉力，不能承受压力。在软式传动机构中，用两根钢索构成回路，以保证舵面能在两个相反的方向偏转。飞机操纵系统选用的钢索为特柔性钢索（7×19）。弹性间隙钢索承受拉力时，容易伸长。由于操纵系统的弹性变形而产生的“间隙”称为弹性间隙；钢索的弹性间隙太大，会降低操纵的灵敏性；钢索预紧（施加予张力）是减小弹性间隙的措施！常见故障：断丝与锈蚀，主要部位是滑轮或导索板处。几个注意问题：1、为了改善软式操纵系统的灵敏性，钢索在未安装之前，必须用相当于设计强度50％~60%的力进行予拉伸处理；2、装在飞机上的钢索必须根据周围温度的高低而保持一定的予张力；3、在飞机主操纵系统中，可以使用的钢索最小直径是1/8英寸；4、钢索不可气割，不可焊接，只能用钢索剪剪断或用錾子錾断；5、在改变钢索方向不大于3º的情况下，可以使用导索板或导索环。二、滑轮——硬胶木或硬铝制成作用：支持钢索改变钢索的运动方向常见故障：滑轮轮沟磨损、轴承卡阻。三、扇形轮——又称扇形摇臂，钢索与扇形轮有连接关系作用：支持钢索；改变钢索的运动方向；改变传动力的大小。常见故障：连接松动、轴承卡阻。四、松紧螺套作用：调整钢索的预张力连接检查小孔作用调松钢索时，螺杆末端不应超过小孔的位置五、钢索张力补偿器飞机机体外载荷及周围气温变化会使机体结构和操纵系统钢索产生相对变形，导致钢索变松或过紧。变松将发生弹性间隙，过紧将产生附加摩擦。钢索张力补偿器的功用正是保持钢索的正确张力。第二节传动系数定义：传动系数K是指舵偏角△δ与杆位移△X的比值。操纵系统的传动比是操纵系统的另一个参数，其大小由驾驶杆和各摇臂的传动比决定！非线性机构传动系数不变的操纵系统，不能满足对飞机操纵性的要求：传动系数大，小舵面偏角小时，杆行程太小，难以准确地控制操纵量；传动系数小，舵面偏角很大时，杆行程过大！装有非线性传动机构的操纵系统，杆行程与舵面偏角之间成曲线关系。第三节助力机械操纵系统助力机械操纵系统的提出舵面铰链力矩是随舵面尺寸和飞行速压的增加而增加！当舵面铰链力矩变得很大时，即使利用当时的空气动力补偿法，也不能使驾驶杆（脚蹬）力保持在规定的范围之内：1.研究效率更高的空气动力补偿；2.研究液压助力器，以实现液压助力操纵！助力机械操纵系统的分类可逆助力机械操纵系统（回力）不可逆助力机械操纵系统（无回力）助力机械操纵系统的主要元件液压助力器载荷感觉器调整片效应机构一、可逆助力机械操纵系统adbcR11二、不可逆助力机械操纵系统三、液压助力器工作原理A、构造A、工作A、应急操纵B、构造B、工作B、应急操纵C、助力器灵敏特性D、助力器稳定特性四、载荷感觉器载荷感觉器功用：1.无回力的助力操纵系统中，使飞行员能从驾驶杆上感受到力；2.有回力的助力操纵系统中，在舵面铰链力矩较小时，使驾驶杆不致过“轻”。载荷感觉器类型：1.弹簧载荷感觉器2.动压Q罐载荷感觉器载荷感觉器刚度：1.小杆位移时，要求刚度大2.大杆位移时，要求刚度小FW弹簧载荷感觉器（弹簧支柱）构造FW五、调整片效应机构杆力来源飞行中消除杆力的机构无助力操纵系统舵面铰链力矩配平调整片助力操纵系统载荷感觉器调整片效应机构第四节飞机颤振与副翼反效飞机颤振是飞机飞行中空气动力、结构弹性力和惯性力之间的交互作用的现象。颤振是飞机各种振动中最危险的一种振动，必须保证在飞机使用中不发生颤振。副翼反效——发生副翼反效的原因是属于副翼位于机翼外侧后缘。副翼偏转所产生的空气动力使机翼发生扭转和弯曲的弹性变形，由弹性变形产生的附加空气动力形成横向气动力矩，它与副翼操纵力矩方向相反，遂降低了副翼操纵效能，甚至使其效能降低为零，或使飞机随副翼的偏转而逆动，这一情况称为副翼反效。一、机翼弯曲扭转颤振分析条件：副翼是刚性地固接在机翼上；颤振原因：机翼重心位于刚心之后；颤振过程如下图所示：激振力VS.阻振力激振力ΔYθ——由于机翼扭角⊿θ所产生的附加气动力，ΔYθ与机翼运动方向相同，是激振力；阻振力ΔYα——由于机翼有了垂直运动速度u而产生的气动力。提高机翼弯扭颤振临界速度的措施激振力ΔYθ与飞行速度平方成正比；阻振力ΔYα与飞行速度成正比；飞行中激振力ΔYθ与所阻振力ΔYα所作功的曲线如右图提高临界速度的措施：用陪重法将机翼重心前移提高机翼扭转刚度！AVV临界二、机翼弯曲——副翼偏转颤振分析条件：副翼是刚性地固接在机翼上；颤振原因：副翼重心位于副翼铰链轴之后；颤振过程如下图所示：提高机翼弯曲副翼偏转颤振临界速度的措施激振力ΔYδ与飞行速度平方成正比；阻振力ΔYα与飞行速度成正比；飞行中激振力ΔYδ与所阻振力ΔYα所作功的曲线如右图提高临界速度的措施：用陪重法将副翼重心前移提高操纵系统的刚度，减小间隙！AVV临界三、副翼反效副翼偏转所产生的空气动力使机翼发生扭转和弯曲的弹性变形，由弹性变形产生的附加空气动力形成横向气动力矩，它与副翼操纵力矩方向相反，遂降低了副翼操纵效能，甚至使其效能降低为零，或使飞机随副翼的偏转而逆动，这一情况称为副翼反效。副翼反效临界速度副翼偏转产生的操纵力矩与飞行速度平方成正比；副翼偏转导致机翼扭转产生的逆反力矩与飞行速度四次方成正比；飞行中操纵力矩与逆反力矩曲线如下图：MVV临界提高副翼反效临界速度的措施副翼内移采用高低速副翼第五节电传操纵系统一．电传操纵系统的提出机械操纵系统缺点：存在摩擦、间隙和非线性因素导致无法实现精微操纵信号传递；机械操纵系统对飞机结构的变化非常敏感；体积大，结构复杂，重量大！电传操纵系统的可靠性问题机械操纵系统可靠性较高！单通道电传系统可靠性较低：可接受的安全指标：解决措施：余度技术！飞行小时/1013飞行小时/1017二、电传操纵系统的组成——四余度系统前置放大计算机舵机传感器对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。一旦系统或系统中某部分出现故障后，必须具有故障隔离的能力。换句话说，在发生故障时，系统应具有第一次故障能工作，第二次故障还能工作的能力。当系统中出现一个或数个故障时，它具有重新组织余下的完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力，即在性能指标稍有降低情况下，系统仍能继续承担任务。三、余度系统的工作特点杆力传感器A传感器A综合器补偿器A表决器监控器A舵回路A助力器杆力传感器B传感器B综合器补偿器B表决器监控器B舵回路B杆力传感器C传感器C综合器补偿器C表决器监控器C舵回路C杆力传感器D传感器D综